阅读说明：本技术 一种水下井口连接器复合式金属密封圈 (Underwater well head connector combined type metal sealing ring ) 是由 张崇 孟文波 任冠龙 董钊 黄亮 余意 王应好 陈才 于 2021-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种水下井口连接器复合式金属密封圈,包括形状为环形的密封圈本体,密封圈本体包括球形外侧密封面和内侧平滑端面,其中两个所述球形外侧密封面以设置在密封圈本体外侧中心处的凸台对称设置,球形外侧密封面的端部有耐腐蚀合金垫层,而球形外侧密封面上还设有密封圈。通过球形外侧密封面内凹部设计可以防止密封圈在高温环境与采油树和井口头的锥面粘牢,便于密封圈的安装与拆卸,同时凸起部设计有利于与锥面进行密封时增加主密封的接触应力,提高密封性能。本发明的耐腐蚀合金垫层和密封圈组成的密封结构,保障主密封面在安装和拆卸过程不受损坏,结构简单,便于加工制造,特别适合海洋深部高压流体处的固定密封。(The invention provides an underwater wellhead connector composite metal sealing ring which comprises a sealing ring body in an annular shape, wherein the sealing ring body comprises spherical outer sealing surfaces and inner side smooth end surfaces, the two spherical outer sealing surfaces are symmetrically arranged by a boss arranged at the center of the outer side of the sealing ring body, the end part of the spherical outer sealing surface is provided with a corrosion-resistant alloy cushion layer, and the spherical outer sealing surface is also provided with a sealing ring. The design of the concave part in the sealing surface of the spherical outer side can prevent the sealing ring from being firmly adhered to the conical surfaces of the Christmas tree and the wellhead head in a high-temperature environment, so that the sealing ring is convenient to install and detach, and meanwhile, the design of the convex part is favorable for increasing the contact stress of the main seal when the sealing ring is sealed with the conical surfaces, and the sealing performance is improved. The sealing structure composed of the corrosion-resistant alloy cushion layer and the sealing ring ensures that the main sealing surface is not damaged in the mounting and dismounting processes, has a simple structure, is convenient to process and manufacture, and is particularly suitable for fixed sealing at the deep high-pressure fluid position of the ocean.)

一种水下井口连接器复合式金属密封圈

技术领域

本发明涉及密封圈技术领域，具体为一种水下井口连接器复合式金属密封圈。

背景技术

近年，随着海洋油气开发不断向深海海域迈进，所面临的深水、高温和高压问题也将更加严峻，水下井口系统密封装置也备受考验。常规的弹性密封技术成熟、成本较低，在开发初期应用广泛；但由于其密封材料自身的属性问题，容易发生高温降解、化学降解，循环载荷导致的疲劳、压缩载荷突变失效和挤压间隙的剪切失效等问题，已经不能满足现阶段水下井口系统的密封要求。

针对上述问题，水下卧式采油树井口处之间常采用锁块式连接器连接，即采用多锁块齿槽与井口槽面相互啮合的连接方式将采油树树体与井口头连接起来，连接器与井口间采用金属密封。国内对于水下连接器用的密封圈主要还是采用标准的密封圈，其预紧力较大，因此无法满足锁块式水下连接器实际工况的密封要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水下井口连接器复合式金属密封圈，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水下井口连接器复合式金属密封圈，包括形状为环形的密封圈本体，其中：

所述密封圈本体包括球形外侧密封面和内侧平滑端面，其中两个所述球形外侧密封面以设置在密封圈本体外侧中心处的凸台对称设置，球形外侧密封面的端部填充有耐腐蚀合金垫层，而球形外侧密封面上还设有辅助密封圈。

优选的，所述球形外侧密封面靠近凸台处设有安装辅助密封圈的凹槽。

优选的，所述球形外侧密封面上设有两个内凹部。

优选的，所述球形外侧密封面上设有凸起部。

优选的，所述凸起部位于两个内凹部之间。

优选的，所述耐腐蚀合金垫层为耐磨损、耐腐蚀以及具备延展性的材料。

优选的，所述耐腐蚀合金垫层为Ni825材料。

优选的，所述密封圈本体的材料为316L。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过球形外侧密封面内凹部设计可以防止密封圈在高温环境与采油树和井口头的锥面粘牢，便于密封圈的安装与拆卸，同时凸起部的设置有利于与锥面进行密封时增加主密封的接触应力，提高密封性能。本发明的耐腐蚀合金垫层和密封圈组成的密封结构，保障主密封面在安装和拆卸过程不受损坏，结构简单，便于加工制造，特别适合海洋深部高压流体处的固定密封。

附图说明

图1为本发明中密封圈本体的剖视图；

图2为本发明密封件安装完成时的整体正面剖视图；

图3为本发明密封件上部先接触被密封锥面的安装定位示意图；

图4为本发明密封件下部先接触被密封锥面的安装定位示意图；

图5为本发明密封件安装定位完成时示意图；

图6为预紧工况下密封圈整体等效应力和密封圈本体等效应力云图；

图7为预紧工况下填充部位等效应力和辅助密封圈等效应力云图；

图8为预紧工况下上辅助密封圈接触应力和下辅助密封圈接触应力云图；

图9为预紧工况下位于上侧的耐腐蚀合金垫层接触应力和位于下侧的耐腐蚀合金垫层接触应力云图；

图10为工作工况下密封圈整体等效应力和密封圈本体等效应力云图；

图11为工作工况下填充部位等效应力和辅助密封圈等效应力云图；

图12为工作工况下上填充部位接触应力和下填充部位接触应力云图；

图13为工作工况下上辅助密封圈接触应力和下辅助密封圈接触应力云图。

图中：1密封圈本体、11球形外侧密封面、12内侧平滑端面、13凸台、14耐腐蚀合金垫层、15辅助密封圈、16内凹部、17凸起部、200水下采油树树体、300水下井口头、400水下井口连接器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：

一种水下井口连接器复合式金属密封圈，包括形状为环形的密封圈本体1，其中：

密封圈本体1包括球形外侧密封面11和内侧平滑端面12，其中两个所述球形外侧密封面11以设置在密封圈本体1外侧中心处的凸台13对称设置，而球形外侧密封面11为倾斜面，其中两个所述球形外侧密封面11构成八字形，球形外侧密封面11的端部填充有耐腐蚀合金垫层14，球形外侧密封面11靠近凸台13处设有安装辅助密封圈15的凹槽，而凹槽内设有辅助密封圈15，进而实现辅助密封的效果，球形外侧密封面11上设有两个内凹部16，球形外侧密封面11上设有凸起部17，凸起部17位于两个内凹部16之间。

优选的，所述耐腐蚀合金垫层14为耐磨损、耐腐蚀以及具备延展性的材料，耐腐蚀合金垫层14优选为Ni825材料。

优选的，所述密封圈本体1的材料为316L。

优选的，辅助密封圈15为丁晴耐油橡胶O型圈。

复合式金属密封圈的使用方式为，如图2至图5所示，水下采油树树体200通过水下井口连接器400与水下井口头300连接，而密封圈本体1设置在水下采油树树体200和水下井口头300之间，其中凸台13与采油树树体200和水下井口头300之间的间隙接触，而两个球形外侧密封面11分别与采油树树体200和水下井口头300的斜面密封接触。

采油树放安装时，首先金属密封圈位于下侧的球形外侧密封面11先和水下井口头300接触，因下部辅助密封圈15的突出设计，水下井口头300的锥面先与辅助密封圈15接触，而不会与下部作为主密封面的凸起部17接触而发生损坏。在重力作用下，采油树继续下放直至水下采油树树体200下部与上部耐腐蚀合金垫层14接触，从而保护上部作为主密封面的凸起部17。之后，金属密封圈完成定位，开始被压缩产生初始预紧压力，然后将水下采油树树体200和水下井口头300进行锁紧。在欠平衡钻井中，为了防止外部流体流入内部，需要对锥面进行密封，而该密封组件使用耐腐蚀合金垫层14和辅助密封圈15的相结合的方式，使得密封组件能够在两个方向上抵抗内部和外部压力差，从而保证密封性能。

有限元仿真验证可行性：

1)密封性能的评判方法

①对于金属密封部位：

参考GB150-2010等规范，密封圈满足密封的前提是发生塑性变形；在预紧工况下，需保证密封圈最大接触应力大于预紧比压；在工作工况下，应保证密封圈最大接触应力大于介质压力和密封系数的乘积。经查阅GB150-2010等规范，对于不锈钢密封圈预紧比压为179.3MPa；密封系数为6.5。

②对于非金属密封部位：

在工作工况下，最大接触应力大于工作压力则可认为满足密封要求。

2)结构强度的评判方法

参考ASMEⅧ-2等规范，密封圈本体的等效应力小于其许用应力，其密封部位局部等效应力小于材料抗拉强度。

3)本发明密封圈密封性能和结构强度

在预紧工况，最大等效应力发生在金属填充部位，其值为204.84MPa，由于填充物屈服强度为220MPa，表明填充物发生了塑性变形，即达到密封的条件；由于其抗拉强度为550MPa，所以填充位置为安全的。上下的最大接触应力297.16MPa和315.52MPa，大于GB 150规范的密封比压值179.5MPa，表明在预紧工况密封圈满足密封要求，如附图6-9所示。

在工作工况，最大等效应力发生在金属填充部位，其值为348.02MPa，由于填充物屈服强度为220MPa，表明填充物发生了塑性变形，即达到密封的条件；由于其抗拉强度为550MPa，所以填充位置为安全的。上下的最大接触应力620.85MPa和605.94MPa，大于GB 150规范的6.5倍介质压力448.5NPa，表明在工作工况密封圈满足密封要求。对于非金属密封圈，判断其能够密封的关键在于其最大接触应力大于介质压力；从图中可以看出在工作工况下，上下辅助密封圈的最大接触应力分别为85.595MPa和89.406MPa，大于介质压力69MPa，表明在填充部位失效的情况下，辅助密封能够代替填充部位实现密封，如附图10-13所示。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。